运动生物力学人体运动的动力学

1、 一、力的概念 力是物体间的相互作用。其三要素是力的大小、力的方向、力的作用点。 二、人体内力 内力：若将人体看作一个力学系统，则人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。如肌肉张力、韧带张力、组织粘滞力、关节约束力等等。 若将人体确定为研究对象，即人体力学系统，那么外界对人体作用的力称人体外力。它可以引起人体由静止状态改变为运动状态。 例如:肌张力对于人体整体而言是内力；然而肌张力对于作用的人体环节而言就是外力。肌肉作为人体内力是不可能直接发生人体整体运动的，人不能抓住自己的头发提起自己，举重运动员力大无比却无法自举其身。 1内力与外力的区别 内力和外力的区分是相对的。如何确定某个力是内力或是

2、外力，取决于研究对象。由于研究对象的不同，同一个内力既可看作内力又可看作外力。 2内力与外力的相互关系 人体内力不能直接引起人体整体的运动，但可以通过人体与外界环境的相互作用，这时人体内力的合效应可以引起人体特定外力，从而使人体发生整体运动。因此，人体内力和外力是相互联系的，内力是人体运动的必要条件，但内力只有通过外力才能使人体产生整体运动 一、重力 人体重力即地球对人体的引力，是人体各部分受地球引力的矢量合成。 二、弹力 弹力产生在直接接触的物体之间，以物体间的相互接触使物体发生形变的先决条件，以形变恢复作用于它物体的力。 三、摩擦力 摩擦力是两相互接触的物体作相对运动或相对运动趋势时发生的

3、力。 1. 静摩擦力 相互接触的两物体有相对滑动趋势，在尚未产生相对滑动时，在接触面上产生阻止其出现相对滑动的力称静摩擦力。 2.滑动摩擦力 当物体沿接触面滚动时，所产生的阻碍滚动的力称作滑动摩擦力。 3滚动摩擦力 当物体沿接触面滚动时，所产生的阻碍滚动的力称为滚动摩擦力。 人体处于支撑状态时，力作用于支点（支撑面）上，支点又反作用于人体，这种反作用力称支撑反作用力。 1） 静力性支撑反作用力 由于受到重力对支点产生的压力，支点则对人体产生一个反作用力，它是一种约束反力，称静力性支撑反作用力。 2） 动力性支撑反作用力 人体处于支撑状态，而人体局部环节作加速运动，其结果是给支点以作用力，支点则

4、给人体一个反作用力，称动力性支撑反作用力。其中局部环节加速度有三种情况： （1）加速垂直离开支点 （2）加速垂直朝向支点 （3）加速斜向离开支点 人体或器械在流体介质内进行运动，必然要与流体发生接触，并相互作用，这种作用的力称为流体作用力。 空气阻力的公式为F=1/2CSV2(S为横截面积，V为流体与人体的相对速度，C为人在水中或物体在水中的流线型有关)。 物体在作圆周运动时，必须有一个跟速度方向垂直，并且指向圆心的力作用于进行圆周运动的物体上，这个力叫做向心力。其公式为F=ma=mV2/R（其中V为运动物体的线速度）。 离心力与向心力是一对相反力，即F向=F离=- m2R。向心力与离心力之间

5、的关系为： 1、它们具有瞬时关系，等大反向。 2、作用点，向心力作用在物体上，离心力作用在人体上。 3、运动方向，向心力和离心力方向相反。 （一）牛顿第一定律的概念 物体若不受其他物体对它的作用（物体所受合外力为零），它将保持其静止或匀速直线运动状态不变。也就是说若物体速度恒定，表现为原来静止仍然静止，原来作匀速直线运动仍然作匀速直线运动。 （二）牛顿第一定律的的内容 1力的意义 根据定律得知，力不是引起和维持物体运动的原因。不受外力的作用，匀速直线运动的物体仍可保持匀速直线运动。因此，力是引起物体运动状态改变的原因。 2惯性 （1）任何物体在不受外力作用时，将保持其原来状态（包括静止状态或匀

6、速直线运动状态）不变的性质成为惯性，又称惯性定律。（2）质量是可量度物体惯性的物理量，质量越大，惯性越大，物体保持原来运动状态不变的能力越强。 3惯性参考系 应用牛顿运动定律时应把地球看做惯性参考系，这样就不会发生显著的偏差。 人体运动时，如何合理利用惯性，对于提高有运动效率，减小体能消耗，发展运动能力有着重要的意义。惯性大小是由物体质量所决定的，质量不能增加或减小，因此惯性大小不能增加也不能减小。我们通常所说的“克服惯性”实际上是指改变物体运动状态。 （一）牛顿第二定律的概念 物体受外力作用时，其运动状态将发生变化，即产生加速度。 (二) 牛顿第二定律的内容 牛顿第二定律是牛顿定律的核心，有

7、万能定律之称。 1、力的独立作用原理 作用于物体的每一个力所产生的力学效应与其他力无关。 2、力和加速度的瞬时性和矢量性 （1）力和加速度的瞬时性 牛顿第二定律的力F和加速度a是对应的，两者同时出现，是物体同一时刻的瞬时量。 （2）力和加速度的矢量性 牛顿第二定律中的力F和加速度a在方向上是一致的，若施力于某物体，该物体将沿力的方向作加速度运动，如果施n个力于该物体，则合外力为这n个力的矢量和。即：F=F1+F2+F3+Fn、a=a1+a2+a3+an 。 运动的即时传递性（讨论）例如，跳高运动员在起跳阶段，摆动腿、双臂上摆的加速度均大于身体其余部分向上的加速度a，即它们相对于身体其他部分有相

8、对加速度，（Fy=m(a+g)+(m1+m2)a），从而有效得增大地面对人体的作用力。 1、牛顿第三定律 两物体相互作用时，物体甲对物体乙的作用力F1与物体乙对物体甲的反作用力F2大小相等、方向相反、沿同一直线，且分别作用于两个物体甲与乙，即：F1=-F2 。 2作用力与反作用力的特点 （1）是作用在两个不同的物体上。 （2） 作用力与反作用力同时产生，同时消失。 （3） 作用力与反作用力是性质相同的力。 系统内的作用力与反作用力属系统内力，对整体运动没有作用。 （4） 静止和运动状态第三定律都成立。 （5）作用力与反作用力各自产生自己的效果，其中效果的大小与质量有关。（力的独立性原理） 一、

9、 动量定理及其应用 （一）动量 动量是用以描述物体在一定运动状态下所具有的“运动量”。 K=mv描述物体运动状态的物理量。动量是矢量，其方向为速度的方向。 （二）冲量 冲量与动量的变化密切相关，以力和力的作用时间来量度。即：I=F*t。描述物体在时间上的累积效果。 （一）动量定理 动量定理可由牛顿第二定律推导出来。 。 1增加投掷冲量以加大器械的动量变化量。这是为了使人体或器械获得较大的速度，通常需增大作用力并延长作用时间。 2、为了减小外界对人体的冲击力，通常需延长力的作用时间。这样可缓冲力的作用。 3、为了给物体以强大的冲力获得较大的速度，通常需减小作用时间 。 （一）动量守恒定律 设甲、

10、乙两物体，它们的质量分别为m1和m2,速度分别为V1 和V2。现在甲乙两物体相互碰撞，碰撞时间为 t。这时乙物体受到甲物体的作用力为F，它的速度为V2；两球碰撞过程中，同时甲物体受到乙物体的大小相等方向相反的反作用力F，速度变为V，根据动量定理：两物体碰撞后的动量和等于碰撞前的动量和。 1动量守恒的条件是系统所受合外力等于 零 即使，合外力不等于零，但远比系统内各物体间的相互作用力要小的得多，动量守恒定律也近似成立。 系统的总动量守恒，是指系统内各物体的动量矢量和不变，但系统内的动量可以互相传递。 当系统所受合外力不等于零时，则系统总动量并不守恒；但系统仍可能在某一方向上保持守恒，只要在该方向

11、上系统所受的合外力分力等于零。 各种打击过程、碰撞过程，人与器械、人与人、器械与器械间的相互作用力可能远远大于系统所受的外力，如摩擦力，原则上可以近似地使用动量守恒定律。 一、 人体转动形式与转动惯量 1 人体转动轴 就人体转动而言，通常称体外的转动轴为实体轴。体内的转动轴为非实体轴。 实体轴 （实实在在的轴）人体转动轴 非实体轴（包括关节轴和基本轴） 2.人体转动形式 有支点有实体轴的转动人体转动形式 有支点无实体轴 无支点无实体轴的转动 实体轴是人体绕体外的运动器械转动时，器械就是人体转动的实体轴。 非实体轴是人体局部肢体或人体整体转动时所绕的位于人体内部的轴，也就是指人体内的假想的轴 。

12、 （二） 人体转动惯量 物体的转动惯量取决于质量大小与质量分布离轴远近两个因素。 二动量矩定理极其应用 （一）转动定律 刚体绕定轴转动时，转动惯量与角加速度的乘积等于作用于刚体的合外力矩， 即：M=I。但M=rF也就是力矩的大小是力与力臂之积。 M(t2-t1)=I2-I1。其中，M(t2-t1)称冲量矩，它的意义是表示外力矩对物体转动的累积效应。I称动量矩，它是表示刚体的转动状态。不同时刻刚体动量矩的变化是外力引起冲量矩的作用结果。外力矩越大，作用时间越长，刚体转动状态的变化也越大。 当肌力矩大于阻力矩时，环节做克制性工作；当肌力矩小于阻力矩时，环节做退让性工作；当肌力矩等于阻力矩时，环节处

13、相对平衡状态。 1人体环节的运动 人体的各种运动状态都以骨杠杆的转动为基础，而骨杠杆的转动状态的变化，则是肌肉拉力矩的作用结果。在体育动作中为增大环节的转动效果，通常可采用如下途径： （1）增大肌力矩： 增大肌肉对环节的拉力矩，可以增大环节绕相应关节的转动角速度或角加速度。而肌力矩的增大一方面可增大肌肉收缩力；另一方面增大肌力臂。肌力随肌肉是收缩而变化，肌力臂随肌拉力角而变化。 （2）减小转动惯量 当肌力矩一定时，减小环节或环节系对某轴的转动惯量，可以达到增大转动角速度或角加速度的目的。故此，在环节绕关节轴的转动时，通常采用参与转动的环节或环节系的质量尽可能靠近转轴的方法。以减小它们对转轴的转

14、动惯量，从而提高转动角速度或角加速度。 A、利用运动中身体某点的制动： 例如，跳跃的制动踏跳，结果是人体绕制动点转过一个角位移，使人体获得尽可能大的起跳速度的同时，获得尽可能最佳的角度，从而跳得更高更远。 b、增大偏心力矩的作用 人体受偏心力作用时，将对质心产生偏心力矩，此力矩将使人体产生对质心的角加速度。例如在完成前空翻动作时，地面对人体的支撑反作用力F通过人体重心后方，力的作用线至身体重心的力臂为R，偏心力矩M=FR。根据动量矩定理，在蹬地阶段人体将获得一定的动量矩，并以此动量矩进入腾空，从而有利于完成前空翻动作。 C、利用动量矩的转移 运动中不断变化，但对动量矩的影响不大。人体整体在绕某

15、轴或基本轴的转动时，往往还伴随着部分环节绕基本轴的转动，故此，人体可通过调节各环节的运动形式，以实现动量矩在身体内的传递和转移。动量矩在身体内的传递和转移主要是利用某些身体环节的突然制动，从而使这些环节原以获得的动量矩向相邻环节传递和转移。 （一）动量矩守恒定律 根据动量矩定理推论，当刚体所受的合外力矩为零时，其动量矩保持不变,这就是动量矩守恒定律。其数学表达式为： 当M=0时 I=恒矢量 人体动量矩动量矩守恒的条件是人体不受冲量矩的作用。 1环节的相向运动 当人体以初始条件Mt=0，I=0进入腾空状态时，若人体一部分环节以动量矩I11绕某轴发生转动时，则必由另一部分环节以动量矩I22绕同一轴作反方向转动，且满足I11+ I22=0，这种现象叫“相向运动”。 2空中角速度的改变 人体处于腾空状态时，通过改变人体对基本轴的转动惯量，可以达到控制人体转动角速度的目的。例如，运动员在空中做翻腾或转体动作也是动量矩守恒的实例。这时，要想改变旋转速度时，只有改变身体的姿势才能实现。如跳水运动员在做直体转身动作时，就将手臂尽量贴近身体纵轴，两腿靠拢，从而减小